JP6386462B2 - Composite structure - Google Patents
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Description
本発明は、鋼管と接合対象部材との接合に適用可能な合成構造に関する。
本願は、2013年09月25日に、日本に出願された特願2013−197688号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。The present invention relates to a composite structure applicable to joining a steel pipe and a member to be joined.
This application claims priority on September 25, 2013 based on Japanese Patent Application No. 2013-197688 for which it applied to Japan, and uses the content here.
従来より、鋼管杭とコンクリートとの付着強度を向上させるために、鋼管杭の先端部の内周面及び外周面の少なくとも一方に、鋼管杭とコンクリートとの滑り止めとして突起を設ける技術が一般的に知られている。 Conventionally, in order to improve the bond strength between steel pipe piles and concrete, it is common to provide protrusions on at least one of the inner and outer peripheral surfaces of the tip of the steel pipe piles to prevent slippage between the steel pipe piles and the concrete. Known to.
下記特許文献1には、鋼管杭の内周面において鋼管杭の周方向に沿って円環状の突起を、鋼管杭とコンクリートとの滑り止めとして設けることにより、鋼管杭とコンクリートとの一体性を確保して付着強度を向上させる技術が開示されている。
In
下記特許文献2及び3には、鋼管杭の内周面又は外周面に螺旋状の突起を、鋼管杭とコンクリートとの滑り止めとして設けることにより、鋼管杭とコンクリートとの一体性を確保して付着強度を向上させる技術が開示されている。
In
下記非特許文献1には、螺旋状の突起が内周面又は外周面に設けられた鋼管杭の製造方法として、突起が設けられた鋼帯を螺旋状に巻くことにより、螺旋状の突起を有する鋼管杭を製造する方法が開示されている。非特許文献1では、螺旋状の突起方向角度が大きくなることに起因して、鋼管杭とコンクリートとの付着強度が低下するので、鋼管杭とコンクリートとの所定の付着強度を確保するために、螺旋状の突起方向角度は40°以下に制限されている。
In
下記非特許文献2には、螺旋状の突起が内周面に設けられた鋼管とコンクリートとの付着強度を調査するために実施された実験の結果が開示されている。この実験結果においては、螺旋状の突起方向角度が45°の場合であっても、鋼管とコンクリートとの必要な付着強度を確保できることが示されている。
Non-Patent
しかし、特許文献1、2及び3に開示された鋼管杭では、補剛領域(鋼管杭の内周面においてコンクリートと接触する領域)の断面剛性及び部材耐力が、素管領域(鋼管杭の内周面においてコンクリートと接触しない領域)と大きく異なる。特に、鋼管杭の補剛領域と素管領域との境界において、鋼管杭の断面剛性及び部材耐力が大幅に減少する。
However, in the steel pipe piles disclosed in
このため、特許文献1、2及び3に開示された鋼管杭では、鋼管杭に曲げ力、軸力及びせん断力等の荷重が作用した場合に、鋼管杭の補剛領域と素管領域との境界において、上記の荷重に起因する応力集中が発生して、素管領域に局部座屈が発生する可能性がある。
For this reason, in the steel pipe pile disclosed in
また、上記のように、鋼管杭の素管領域に局部座屈が発生すると、建築構造物等の上部柱と鋼管杭との接合箇所等において、建築構造物等の支持が不十分になる可能性がある。 In addition, as described above, when local buckling occurs in the raw pipe region of the steel pipe pile, the support of the building structure or the like may be insufficient at the joint between the upper column of the building structure and the steel pipe pile. There is sex.
このような鋼管杭の素管領域における局部座屈を防ぐ方法の一つとして、鋼管杭の板厚を厚くする方法が考えられる。しかしながら、鋼管杭の板厚を厚くする方法を採用すると、鋼管杭の重量が大きくなると共に、材料コストが増加するので、この方法は合理的ではない。また、鋼管杭の素管領域における局部座屈を防ぐ他の方法として、スティフナ等の補剛材を素管領域に設置することも考えられるが、加工の手間が増える。 One method for preventing local buckling in the raw pipe region of such steel pipe piles is to increase the plate thickness of the steel pipe piles. However, if the method of increasing the thickness of the steel pipe pile is adopted, the weight of the steel pipe pile increases and the material cost increases, so this method is not rational. Further, as another method for preventing local buckling in the raw pipe region of the steel pipe pile, it may be possible to install a stiffener or other stiffener in the raw pipe region, but this increases the labor of processing.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、鋼管の板厚を厚くすることなく、また、スティフナ等の補剛材を用いることなく、鋼管の補剛領域と素管領域との境界における局部座屈抵抗の向上を実現可能な合成構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and without increasing the plate thickness of the steel pipe, and without using a stiffener or other stiffener, the stiffening region and the raw tube region of the steel pipe An object of the present invention is to provide a composite structure capable of improving local buckling resistance at the boundary.
本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために、以下のような手段を採用する。
(1)本発明の一態様に係る合成構造は、鋼管と;一端部が前記鋼管に挿入された接合対象部材と;前記鋼管の内周面と前記接合対象部材の前記一端部との間に充填されたコンクリートと;を備える。前記鋼管は、前記鋼管の前記内周面から前記鋼管の半径方向内側へ向かって突出し且つ前記鋼管の管軸方向に沿って螺旋状に延設された突起を有する。前記鋼管の前記内周面において前記コンクリートと接触する領域を補剛領域と定義し且つ前記鋼管の前記内周面において前記コンクリートと接触しない領域を素管領域と定義したとき、前記突起は、前記補剛領域と前記素管領域との境界を跨ぐように前記管軸方向に沿って前記螺旋状に延設されている。前記素管領域における前記突起の前記管軸方向の延設長は、前記鋼管の局部座屈半波長以上である。前記突起を前記鋼管の前記半径方向の内側から視たとき、前記鋼管の周方向と前記突起との間の角度が、30°以上90°未満である。前記鋼管の前記局部座屈半波長をλ(mm)、前記鋼管の外径をD(mm)、且つ前記鋼管の板厚をt(mm)と定義したとき、前記局部座屈半波長λは下記式(1)で表され、前記鋼管の前記外径Dと前記板厚tとの比率D/tは50以上100以下である。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems and achieve the object.
(1) The composite structure according to an aspect of the present invention includes a steel pipe; a member to be joined whose one end is inserted into the steel pipe; and an inner peripheral surface of the steel pipe and the one end of the member to be joined. Filled concrete; and The steel pipe has a protrusion that protrudes inward in the radial direction of the steel pipe from the inner peripheral surface of the steel pipe and extends spirally along the pipe axis direction of the steel pipe. When the region in contact with the concrete on the inner peripheral surface of the steel pipe is defined as a stiffening region and the region not in contact with the concrete on the inner peripheral surface of the steel pipe is defined as a raw tube region, the protrusion is It extends in the spiral shape along the tube axis direction so as to straddle the boundary between the stiffening region and the raw tube region. The extension length of the projection in the pipe axis direction in the raw pipe region is equal to or greater than the local buckling half wavelength of the steel pipe. When the projection is viewed from the inside in the radial direction of the steel pipe, an angle between the circumferential direction of the steel pipe and the projection is 30 ° or more and less than 90 °. When the local buckling half wavelength of the steel pipe is defined as λ (mm), the outer diameter of the steel pipe is defined as D (mm), and the plate thickness of the steel pipe is defined as t (mm), the local buckling half wavelength λ is It is represented by the following formula (1), and the ratio D / t between the outer diameter D and the plate thickness t of the steel pipe is 50 or more and 100 or less.
(2)上記(1)に記載の合成構造において、前記鋼管を前記管軸方向に平行な断面で視たとき、前記突起の凸断面が、前記管軸方向に沿って前記局部座屈半波長λ以下の間隔で並んでいてもよい。 ( 2 ) In the composite structure according to (1) above, when the steel pipe is viewed in a cross section parallel to the tube axis direction, the convex cross section of the protrusion has the local buckling half-wavelength along the tube axis direction. They may be arranged at intervals of λ or less.
上記(1)に記載の合成構造によれば、鋼管の補剛領域と素管領域との境界において、鋼管の補剛領域と素管領域とで断面剛性及び部材耐力の差異が小さくなり、補剛領域から素管領域までの鋼管の断面剛性及び部材耐力を漸減させて、鋼管の断面剛性及び部材耐力の急激な減少を防止することが可能となる。 According to the composite structure described in (1) above, at the boundary between the stiffening region and the raw tube region of the steel pipe, the difference in cross-sectional rigidity and member strength between the stiffening region and the raw tube region of the steel pipe is reduced. It is possible to gradually reduce the cross-sectional rigidity and member strength of the steel pipe from the rigid region to the raw tube region, thereby preventing a rapid decrease in the cross-sectional rigidity and member strength of the steel pipe.
上記(1)に記載の合成構造によれば、鋼管の補剛領域と素管領域との境界において、鋼管の断面剛性及び部材耐力の急激な減少を防止して、曲げ力、軸力、せん断力等の荷重に起因する鋼管に対する応力集中の発生を回避することができ、素管領域における局部座屈の発生を防止することが可能となる。 According to the composite structure described in the above (1), it is possible to prevent a sudden decrease in the cross-sectional rigidity and the member strength of the steel pipe at the boundary between the stiffening region and the raw pipe region of the steel pipe, and thereby the bending force, the axial force, the shearing force. Occurrence of stress concentration on the steel pipe due to a load such as force can be avoided, and local buckling in the raw pipe region can be prevented.
上記(1)に記載の合成構造によれば、鋼管の補剛領域と素管領域との境界において、鋼管の局部座屈抵抗を向上させることができるため、鋼管と接合対象部材との接合箇所等における建築構造物等の支持を十分なものとすることが可能となる。 According to the composite structure described in the above (1), since the local buckling resistance of the steel pipe can be improved at the boundary between the stiffening region and the raw pipe region of the steel pipe, the joint location between the steel pipe and the member to be joined It is possible to provide sufficient support for building structures and the like.
上記(1)に記載の合成構造によれば、突起が存在しない鋼管の薄い部位が鋼管の管周方向断面で連続しない。その結果、鋼管の局部座屈抵抗を向上させることができるため、素管領域における局部座屈の発生を防止することが可能となる。 According to the composite structure described in ( 1 ) above, the thin portion of the steel pipe where no protrusion is present is not continuous in the pipe circumferential direction cross section. As a result, since local buckling resistance of the steel pipe can be improved, it is possible to prevent the occurrence of local buckling in the raw pipe region.
また、上記(1)に記載の合成構造によれば、鋼管に、管壁が蛇腹状に潰れるような局部座屈が発生することを確実に防止することが可能となる。また、鋼管の内周面にコンクリートを確実に付着させて、鋼管とコンクリートとの付着強度を十分に確保することが可能となる。 In addition, according to the composite structure described in ( 1 ) above, it is possible to reliably prevent the local buckling of the steel pipe such that the pipe wall is crushed like a bellows. In addition, it is possible to reliably adhere the concrete to the inner peripheral surface of the steel pipe, and to sufficiently secure the adhesion strength between the steel pipe and the concrete.
上記(1)に記載の合成構造によれば、鋼管とコンクリートとの付着強度を向上させるために補剛領域に設けられた突起を、鋼管の管軸方向に沿ってさらに延ばして設けることができ、局部座屈抵抗を向上させた鋼管を効率的に製造することが可能となる。 According to the composite structure described in ( 1 ) above, the protrusion provided in the stiffening region in order to improve the adhesion strength between the steel pipe and the concrete can be further extended along the pipe axis direction of the steel pipe. It becomes possible to efficiently manufacture a steel pipe with improved local buckling resistance.
特に、従来では、鋼管とコンクリートとの付着強度を確保することのみを目的として突起が鋼管に設けられた場合に、突起を鋼管の周方向に対して10°〜20°程度傾斜させていた。しかしながら、上記(1)に記載の合成構造によれば、鋼管とコンクリートとの付着強度を確保するために突起を設ける鋼管の製造工程を直接的に利用して、鋼管の周方向に対して30°以上の角度で突起を傾斜させて、鋼管の局部座屈抵抗を向上させた突起を効率的に設けることが可能となる。 In particular, conventionally, when the protrusion is provided on the steel pipe only for the purpose of ensuring the adhesion strength between the steel pipe and the concrete, the protrusion is inclined by about 10 ° to 20 ° with respect to the circumferential direction of the steel pipe. However, according to the composite structure described in ( 1 ) above, the manufacturing process of the steel pipe in which the protrusion is provided in order to secure the adhesion strength between the steel pipe and the concrete is directly utilized, and the steel pipe is 30 in the circumferential direction. It is possible to efficiently provide the protrusion with the local buckling resistance of the steel pipe improved by inclining the protrusion at an angle of more than 0 °.
上記(2)に記載の合成構造によれば、鋼管の管軸方向に沿って互いに隣り合う突起の間で、鋼管に作用する荷重に起因して素管領域に局部座屈が発生することを防止することが可能となる。 According to the composite structure described in ( 2 ) above, local buckling occurs in the raw pipe region due to the load acting on the steel pipe between the protrusions adjacent to each other along the pipe axis direction of the steel pipe. It becomes possible to prevent.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る合成構造1を示す縦断面図である。図1に示すように、本実施形態に係る合成構造1は、地盤に打ち込まれた鋼管杭10(鋼管)と、一端部が鋼管杭10に挿入されたH形鋼20(接合対象部材)と、鋼管杭10の内周面11とH形鋼20の一端部(鋼管杭10に挿入された部分)との間に充填されたコンクリート30とを備えている。なお、図1は、鋼管杭10の管軸方向(図1中のY方向)と平行な断面で鋼管杭10を視た図である。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a
H形鋼20は、例えば建築構造物(上部構造物)の柱部材である。基礎構造物として地盤に打ち込まれた鋼管杭10にH形鋼20の一端部が挿入された状態で、鋼管杭10の内周面11とH形鋼20の一端部との間にコンクリート30が充填されることにより、鋼管杭10とH形鋼20とが互いに接合される。図1に示すように、鋼管杭10とH形鋼20との接合強度を強くするために、H形鋼20の先端に、ベースプレート21が接合されていることが好ましい。ただし、このベースプレート21は必須ではない。
The H-
鋼管杭10は、例えば、1000mmの外径Dと、6.6mmの板厚tと、0.28〜0.30のポアソン比νを有する鋼管である。鋼管杭10の外径D、板厚t、及びポアソン比νは、上記の数値に限定されない。しかしながら、鋼管杭10の板厚tが大きすぎると、鋼管杭10の局部座屈抵抗が大きくなるというメリットがある反面、鋼管杭10の重量及び材料コストが増大するというデメリットもある。そのため、本実施形態では、板厚tに起因するメリットとデメリットとのバランスを考慮して、外径Dと板厚tとの比率D/tが50以上100以下に設定されている。
鋼管杭10として建築用鋼材を用いた場合、外径Dと板厚tとの比率D/tが50未満となると、局部座屈による耐力低下が鋼管杭10に生じる。従って、比率D/tの下限値を50に設定することが望ましい。一方、比率D/tの上限値については特に制限はないが、土木建築用に製造されて市場に流通している鋼管の比率D/tの上限値は概ね100であるので、本実施形態においても、鋼管杭10の比率D/tの上限値を100に設定している。
このような鋼管杭10は、鋼管杭10の内周面11から鋼管杭10の半径方向(図1中のX方向)内側へ向かって突出し、且つ鋼管杭10の管軸方向Yに沿って螺旋状に延設された突起12を有している。
The
When a steel material for construction is used as the
Such a
図2は、図1において点線で囲まれた領域Cの拡大図である。図2に示すように、鋼管杭10の管軸方向Yにおける突起12の凸断面の長さを突起幅wと定義する。また、鋼管杭10の半径方向Xにおける突起12の凸断面の長さを突起高さhと定義する。また、管軸方向Yに沿って互いに隣り合う突起12の凸断面の中心間の距離を突起間隔Sと定義する。さらに、突起12を鋼管杭10の半径方向Xの内側から視たとき、鋼管杭10の周方向(図2中のW方向)と突起12との間の角度を突起傾斜角θと定義する。
FIG. 2 is an enlarged view of a region C surrounded by a dotted line in FIG. As shown in FIG. 2, the length of the convex cross section of the
突起12の突起幅wは、例えば10mmである。突起12の突起高さhは、例えば4mmである。ただし、突起12の突起幅w及び突起高さhは、上記の数値に限定されない。突起傾斜角θは、30°以上90°未満であることが好ましい。また、突起傾斜角θは、30°以上60°未満が最も好ましい。突起傾斜角θを上記の範囲に設定することが好ましい理由については後述する。突起間隔Sの好ましい範囲については後述する。なお、本実施形態では、矩形状の凸断面を有する突起12が鋼管杭10に形成された場合を例示したが、突起12の凸断面の形状は、矩形以外の形状であってもよい。
The protrusion width w of the
突起12は、鋼帯等の圧延によって鋼管杭10の内周面11設けられてもよく、棒鋼を溶接等で取り付けたり、溶接ビードを置く方法等によって設けられてもよい。また、複数の螺旋状の突起12の一部を互いに交差させることにより、鋼管杭10の周方向Wに対して互いに異なる方向に傾斜した複数の突起12が組み合わされてもよい。また、螺旋状の突起12と、鋼管杭10の周方向Wに平行な突起12とが組み合わされてもよい。
The
以下では、図1に示すように、鋼管杭10の内周面11において突起12が設けられている領域を突起領域A1と定義し、鋼管杭10の内周面11において突起12が設けられていない領域を平坦領域A2と定義する。また、図1に示すように、鋼管杭10の内周面11においてコンクリート30と接触する領域を補剛領域B1と定義し、鋼管杭10の内周面11においてコンクリート30と接触しない領域を素管領域B2と定義する。
Below, as shown in FIG. 1, the area | region in which the
図1に示すように、突起12は、補剛領域B1と素管領域B2との境界を跨ぐように、管軸方向Yに沿って螺旋状に延設されている。言い換えれば、突起領域A1において、補剛領域B1と素管領域B2との境界が少なくとも1つ存在する。詳細は後述するが、突起領域A1において、補剛領域B1と素管領域B2との境界が2つ存在する場合もある。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、突起12が、補剛領域B1と素管領域B2との境界から素管領域B2側へ管軸方向Yに沿って延設されている長さを延設長Lと定義する。言い換えれば、素管領域B2における突起12の管軸方向Yの延設長Lは、突起領域A1の管軸方向Yの長さから、補剛領域B1の管軸方向Yの長さを減算することで得られる長さである。
As shown in FIG. 1, the length of the
図3は、図1において補剛領域B1と素管領域B2との境界を含む領域の拡大図である。図3に示すように、素管領域B2における突起12の管軸方向Yの延設長Lは、鋼管杭10の局部座屈半波長λ以上である。ここで、鋼管杭10の局部座屈半波長λとは、曲げ力M、軸力N及びせん断力Q等の荷重が鋼管杭10に作用することに起因して、補剛領域B1と素管領域B2との境界に近い素管領域B2の管壁に発生する座屈部位13の長さである(図3参照)。
FIG. 3 is an enlarged view of a region including the boundary between the stiffening region B1 and the raw tube region B2 in FIG. As shown in FIG. 3, the extending length L in the tube axis direction Y of the
上記のように、鋼管杭10の外径をD(mm)、鋼管杭10の板厚をt(mm)、及び鋼管杭10の局部座屈半波長をλ(mm)と定義したとき、局部座屈半波長λは下記式(1)で表される。なお、鋼管杭10のポアソン比をνと定義したとき、下記式(1)における定数Kは、下記式(2)で表される。
As described above, when the outer diameter of the
また、図3に示すように、鋼管杭10を管軸方向Yに平行な断面で視たとき、突起12の凸断面が、管軸方向Yに沿って局部座屈半波長λ以下の間隔で並んでいることが望ましい。言い換えれば、突起12の突起間隔Sが、局部座屈半波長λ以下であることが望ましい。すなわち、突起12の延設長L、突起間隔S、及び局部座屈半波長λの関係が下記条件式(3)を満たすことが望ましい。
S ≦ λ ≦ L …(3) Further, as shown in FIG. 3, when the
S ≦ λ ≦ L (3)
上記のような構成を有する合成構造1によれば、鋼管杭10の板厚を厚くすることなく、また、スティフナ等の補剛材を用いることなく、鋼管杭10の補剛領域B1と素管領域B2との境界における局部座屈抵抗の向上を実現することが可能となる。すなわち、上記のような構成を有する合成構造1によれば、鋼管杭10の板厚tに起因するメリットとデメリットとのバランスが最適となる条件(外径Dと板厚tとの比率D/tが50以上100以下という条件)を満足しながら、補剛領域B1と素管領域B2との境界における局部座屈抵抗を向上させることができる。
According to the
以下では、図4に示すように、鋼管杭10にせん断力Qを作用させた場合と、鋼管杭10に軸力Nを作用させた場合とのそれぞれについて、鋼管杭10の局部座屈抵抗をシェル要素を用いた有限要素法(FEM)解析によって解析した結果を説明する。
Below, as shown in FIG. 4, the local buckling resistance of the
上記のFEM解析において、鋼管杭10の外径Dを1000mm、鋼管杭10の板厚tを6.6mm、鋼管杭10のポアソン比νを0.30、突起12の突起高さhを4mm、突起12の突起幅wを10mm、突起12の突起傾斜角θを30°、突起12の突起間隔Sを100mmに設定した。このような条件において、鋼管杭10の局部座屈半波長λは、199mmとなる。
上記の条件の下で、突起12の延設長Lを0mm〜500mmの範囲で変化させた場合における、突起12の延設長Lとせん断力Qに対する局部座屈抵抗(せん断力Qに対する最大耐力)との関係を解析した結果を下記表1に示す。なお、下記表1において、突起12の延設長Lが199mm以上のとき、突起12の延設長Lが鋼管杭10の局部座屈半波長λ以上という条件が満たされる。In the above FEM analysis, the outer diameter D of the
Under the above conditions, when the extension length L of the
表1において、Qmax(kN)は、鋼管杭10の上端部に作用するせん断力Qを徐々に増大させて鋼管杭10を強制的に変形させた場合に、最終的に鋼管杭10に局部座屈が発生して最大耐力に至った時点でのせん断力Qを示している。すなわち、このQmaxは、せん断力Qに対する鋼管杭10の局部座屈抵抗(せん断力Qに対する最大耐力)を示している。
延設長Lが0mmのとき、すなわち素管領域B2に突起12が存在しないときの最大耐力Qmax(=794kN)を、基準耐力Q0と定義する。従って、表1において、突起12の延設長Lが0mmのとき、最大耐力Qmaxと基準耐力Q0との比(=Qmax/Q0)は、“1”となる。表1における「Qmax/Q0」は、突起12の延設長Lの変化に対する最大耐力Qmaxの上昇率を示す無次元数である。In Table 1, Q max (kN) is a local increase in the
The maximum proof stress Q max (= 794 kN) when the extended length L is 0 mm, that is, when the
図5は、表1における「L/√(D・t)」が横軸として設定され、表1における「Qmax/Q0」が縦軸として設定されたグラフを示す。図5に示すように、「L/√(Dt)」が2.44以上となるとき、「Qmax/Q0」が1.049以上となる。すなわち、突起12の延設長Lが鋼管杭10の局部座屈半波長λ(=199mm)以上という条件を満たすとき、せん断力Qに対する鋼管杭10の最大耐力Qmaxの上昇率が4.9%以上となる。このように、突起12の延設長Lが鋼管杭10の局部座屈半波長λ以上という条件を満たすとき、せん断力Qに対する鋼管杭10の局部座屈抵抗が著しく上昇することが確認された。
FIG. 5 shows a graph in which “L / √ (D · t)” in Table 1 is set as the horizontal axis and “Q max / Q0” in Table 1 is set as the vertical axis. As shown in FIG. 5, when “L / √ (Dt)” is 2.44 or more, “Q max / Q0” is 1.049 or more. That is, when extending設長L protrusion 12 satisfy the condition that the steel pipe local buckling屈半wavelength λ of pile 10 (= 199mm) or more, the rate of increase in ultimate strength Q max of the
次に、上記のFEM解析において、鋼管杭10の外径Dを1000mm、鋼管杭10の板厚tを6.6mm、鋼管杭10のポアソン比νを0.30、突起12の突起高さhを4mm、突起12の突起幅wを10mm、突起12の延設長Lを500mm、突起12の突起間隔Sを100mmに設定した。すなわち、突起12の延設長Lが鋼管杭10の局部座屈半波長λ(=199mm)以上という条件が満たされている。
このような条件の下で、突起12の突起傾斜角θを10°〜90°の範囲で変化させた場合における、突起傾斜角θと、せん断力Qに対する鋼管杭10の最大耐力Qmaxと、「Qmax/Q0」との関係を解析した結果を下記表2に示す。Next, in the above FEM analysis, the outer diameter D of the
Under such conditions, when the protrusion inclination angle θ of the
図6は、表2における突起傾斜角θが横軸として設定され、表2における「Qmax/Q0」が縦軸として設定されたグラフを示す。図6に示すように、突起傾斜角θが30°以上となるとき、「Qmax/Q0」が1.053〜1.085となる。すなわち、突起傾斜角θが30°以上という条件を満たすとき、せん断力Qに対する鋼管杭10の最大耐力Qmaxの上昇率が5.3%〜8.5となる。このように、突起12の延設長Lが鋼管杭10の局部座屈半波長λ以上という条件を満たし、且つ突起傾斜角θが30°以上という条件を満たすとき、せん断力Qに対する鋼管杭10の局部座屈抵抗がより著しく上昇することが確認された。FIG. 6 shows a graph in which the protrusion inclination angle θ in Table 2 is set as the horizontal axis, and “Q max / Q0” in Table 2 is set as the vertical axis. As shown in FIG. 6, when the projection inclination angle θ is 30 ° or more, “Q max / Q0” is 1.053 to 1.085. That is, when the condition that the protrusion inclination angle θ is 30 ° or more is satisfied, the rate of increase in the maximum proof stress Q max of the
次に、上記のFEM解析において、鋼管杭10の外径Dを1000mm、鋼管杭10の板厚tを6.6mm、鋼管杭10のポアソン比νを0.30、突起12の突起高さhを4mm、突起12の突起幅wを10mm、突起12の延設長Lを3000mm、突起12の突起間隔Sを100mmに設定した。すなわち、突起12の延設長Lが鋼管杭10の局部座屈半波長λ(=199mm)以上という条件が満たされている。なお、突起12の延設長Lを3000mmに設定することは、鋼管杭10の全長に亘って突起12が形成されていることを意味する。
このような条件の下で、突起12の突起傾斜角θを5°〜90°の範囲で変化させた場合における、突起傾斜角θと、軸力Nに対する局部座屈抵抗(軸力Nに対する最大耐力)との関係を解析した結果を下記表3に示す。Next, in the above FEM analysis, the outer diameter D of the
Under such conditions, when the protrusion inclination angle θ of the
表3において、Nmax(kN)は、鋼管杭10に作用する軸力Nを徐々に増大させて鋼管杭10を強制的に変形させた場合に、最終的に鋼管杭10に局部座屈が発生して最大耐力に至った時点での軸力Nを示している。すなわち、このNmaxは、軸力Nに対する鋼管杭10の局部座屈抵抗(軸力Nに対する最大耐力)を示している。
突起傾斜角θが「無し」のとき(鋼管杭10に突起12が存在しないとき)の最大耐力Nmax(=7580kN)を、基準耐力N0と定義する。従って、表3において、突起傾斜角θが「無し」のとき、最大耐力Nmaxと基準耐力N0との比(=Nmax/N0)は、“1”となる。「Nmax/N0」は、突起12の突起傾斜角θの変化に対する最大耐力Nmaxの上昇率を示す無次元数である。In Table 3, N max (kN) indicates that when the axial force N acting on the
The maximum proof stress N max (= 7580 kN) when the protrusion inclination angle θ is “none” (when the
図7は、表3における突起傾斜角θが横軸として設定され、表3における「Nmax/N0)が縦軸として設定されたグラフを示す。図7に示すように、突起傾斜角θが30°以上となるとき、「Nmax/N0」が1.049〜1.100となる。すなわち、突起傾斜角θが30°以上という条件を満たすとき、軸力Nに対する鋼管杭10の最大耐力Nmaxの上昇率が4.9%〜10.0%となる。このように、突起12の延設長Lが鋼管杭10の局部座屈半波長λ以上という条件を満たし、且つ突起傾斜角θが30°以上という条件を満たすとき、軸力Nに対する鋼管杭10の局部座屈抵抗が著しく上昇することが確認された。
7 shows a graph in which the protrusion inclination angle θ in Table 3 is set as the horizontal axis and “N max / N0) in Table 3 is set as the vertical axis, as shown in FIG. When it is 30 ° or more, “N max /
上記のように、表2及び表3(図6及び図7)に示した解析結果からは、鋼管杭10の局部座屈抵抗をより向上させるための条件として、突起12の突起傾斜角θが30°以上90°以下という条件が導き出される。しかしながら、突起傾斜角θが90°の場合、鋼管杭10とコンクリート30との付着強度が十分に得られないので、本実施形態では、鋼管杭10の局部座屈抵抗をより向上するための条件として、突起12の突起傾斜角θが30°以上90°未満という条件を採用している。
As described above, from the analysis results shown in Tables 2 and 3 (FIGS. 6 and 7), the protrusion inclination angle θ of the
また、表2及び表3(図6及び図7)に示した解析結果から、最も好ましい条件として、突起12の突起傾斜角θが30°以上60°以下という条件が導き出される。ここで、突起傾斜角θの下限値である30°は、図6及び図7に示すように、せん断力Qに対する最大耐力Qmax及び軸力Nに対する最大耐力Nmaxの上昇率が顕著に高くなる値である。また、突起傾斜角θの上限値である60°は、これ以上、突起傾斜角θを大きくしても、せん断力Qに対する最大耐力Qmax及び軸力Nに対する最大耐力Nmaxの上昇率が大きく変化しない値である。From the analysis results shown in Tables 2 and 3 (FIGS. 6 and 7), as the most preferable condition, a condition that the protrusion inclination angle θ of the
次に、上記のFEM解析において、鋼管杭10の外径Dを1000mm、鋼管杭10の板厚tを6.6mm、鋼管杭10のポアソン比νを0.30、突起12の突起高さhを4mm、突起12の突起幅wを10mm、突起12の突起傾斜角θを45°、突起12の延設長Lを500mmに設定した。すなわち、突起12の延設長Lが鋼管杭10の局部座屈半波長λ(=199mm)以上という条件が満たされている。
上記の条件の下で、突起12の突起間隔Sを0mm〜300mmの範囲で変化させた場合における、突起12の突起間隔Sとせん断力Qに対する局部座屈抵抗(せん断力Qに対する最大耐力)との関係を解析した結果を下記表4に示す。なお、下記表4において、突起12の突起間隔Sが199mm以下のとき、突起12の突起間隔Sが鋼管杭10の局部座屈半波長λ以下という条件が満たされる。Next, in the above FEM analysis, the outer diameter D of the
Under the above conditions, when the projection interval S of the
表4において、Qmax(kN)は、表1及び表2と同様に、鋼管杭10の上端部に作用するせん断力Qを徐々に増大させて鋼管杭10を強制的に変形させた場合に、最終的に鋼管杭10に局部座屈が発生して最大耐力に至った時点でのせん断力Qを示している。すなわち、このQmaxは、せん断力Qに対する鋼管杭10の局部座屈抵抗(せん断力Qに対する最大耐力)を示している。
突起間隔Sが「無し」のとき(鋼管杭10に突起12が存在しないとき)の最大耐力Qmax(=794kN)を、基準耐力Q0と定義する。従って、表4において、突起間隔Sが「無し」のとき、最大耐力Qmaxと基準耐力Q0との比(=Qmax/Q0)は、“1”となる。表4における「Qmax/Q0」は、突起12の突起間隔Sの変化に対する最大耐力Qmaxの上昇率を示す無次元数である。In Table 4, Q max (kN) is the same as in Tables 1 and 2, when the
The maximum yield strength Q max (= 794 kN) when the projection spacing S is “none” (when no
図8は、表4における「S/√(D・t)」が横軸として設定され、表4における「Qmax/Q0」が縦軸として設定されたグラフを示す。図8に示すように、「S/√(Dt)」が2.44以下となるとき、「Qmax/Q0」が1.022以上となる。すなわち、突起12の突起間隔Sが鋼管杭10の局部座屈半波長λ(=199mm)以下という条件を満たすとき、せん断力Qに対する鋼管杭10の最大耐力Qmaxの上昇率が2.2%以上となる。このように、突起12の延設長Lが鋼管杭10の局部座屈半波長λ以上という条件を満たし、且つ突起12の突起間隔Sが鋼管杭10の局部座屈半波長λ以下という条件(すなわち、上記(3)式で規定される条件)を満たすとき、せん断力Qに対する鋼管杭10の局部座屈抵抗が著しく上昇することが確認された。FIG. 8 shows a graph in which “S / √ (D · t)” in Table 4 is set as the horizontal axis, and “Q max / Q0” in Table 4 is set as the vertical axis. As shown in FIG. 8, when “S / √ (Dt)” is 2.44 or less, “Q max / Q0” is 1.022 or more. That is, when the projection spacing S of the
以上のように、突起12の延設長Lが鋼管杭10の局部座屈半波長λ以上という条件(第1条件)、突起傾斜角θが30°以上90°未満という条件(第2条件)、及び突起12の突起間隔Sが鋼管杭10の局部座屈半波長λ以下という条件(第3条件)を満たす本実施形態に係る合成構造1によれば、鋼管杭10の板厚tに起因するメリットとデメリットとのバランスが最適となる条件(外径Dと板厚tとの比率D/tが50以上100以下という条件)を満足しながら、補剛領域B1と素管領域B2との境界における局部座屈抵抗の向上を実現することが可能となる。
As described above, the condition that the extension length L of the
なお、上記の解析結果から理解されるように、少なくとも、上記の第1条件を満たす合成構造であれば、上記の効果を得ることができる。しかしながら、鋼管杭10の局部座屈抵抗をより向上させるためには、第1条件に加えて、第2条件及び第3条件の少なくとも一方を満たす合成構造を採用することが好ましい。
As can be understood from the above analysis results, at least the above-described effects can be obtained as long as the synthetic structure satisfies the first condition. However, in order to further improve the local buckling resistance of the
ところで、上記実施形態では、補剛領域B1の全部に突起12が形成されている場合(つまり、コンクリート30と接触する内周面11の全部に突起12が形成されている場合)を例示したが、少なくとも第1条件を満たしてさえいれば、補剛領域B1の全部に突起12が形成されている必要はない。例えば、図9に示すように、補剛領域B1に、突起12が形成されていない領域(平坦領域A2)と、突起12が形成されている領域(突起領域A1)とが含まれていてもよい。ただし、鋼管杭10とコンクリート30との付着強度を強くするためには、補剛領域B1の全部に突起12が形成されていることが好ましい。
By the way, in the said embodiment, although the case where the processus |
また、上記実施形態では、突起領域A1において、補剛領域B1と素管領域B2との境界が1つ存在する場合を例示したが、例えば、図10に示すように、突起領域A1において、補剛領域B1と素管領域B2との境界が2つ存在するような合成構造を採用してもよい。図10に示す合成構造においても、少なくとも第1条件を満たす必要がある。つまり、図10において、補剛領域B1の上端から管軸方向Yの上方へ向かって延設された突起12の延設長Lと、補剛領域B1の下端から管軸方向Yの下方へ向かって延設された突起12の延設長Lとの両方が、鋼管杭10の局部座屈半波長λ以上の長さに設定される必要がある。
Further, in the above embodiment, the case where one boundary between the stiffening region B1 and the raw tube region B2 exists in the projection region A1, but for example, as shown in FIG. A composite structure in which two boundaries between the rigid region B1 and the raw tube region B2 exist may be employed. Also in the composite structure shown in FIG. 10, it is necessary to satisfy at least the first condition. That is, in FIG. 10, the extending length L of the
また、上記実施形態では、鋼管杭10に接合される接合対象部材としてH形鋼20を例示したが、鋼管杭10に挿入可能な形状を有する物であれば、どのような接合対象部材であってもよい。
また、上記実施形態では、鋼管杭10の内周面11に突起12が設けられている場合を例示したが、この突起12に加えて、鋼管杭10の外周面から鋼管杭10の半径方向外側へ向かって突出し且つ鋼管杭10の管軸方向Yに沿って螺旋状に延設された突起が設けられていてもよい。Moreover, in the said embodiment, although the H-
Moreover, in the said embodiment, although the case where the processus |
以上のように、上記実施形態によれば、少なくとも第1条件を満たすことにより、補剛領域B1と素管領域B2との境界において、補剛領域B1と素管領域B2とで断面剛性及び部材耐力の差異が小さくなる。 As described above, according to the above-described embodiment, by satisfying at least the first condition, the cross-sectional rigidity and the member between the stiffening region B1 and the raw tube region B2 at the boundary between the stiffening region B1 and the raw tube region B2. The difference in yield strength is reduced.
これにより、補剛領域B1と素管領域B2との境界において、補剛領域B1から素管領域B2までの断面剛性及び部材耐力を漸減させて、鋼管(鋼管杭10)の断面剛性及び部材耐力の急激な減少を防止することが可能となる。また、上記実施形態によれば、鋼管の補剛領域B1と素管領域B2との境界において、曲げ力M、軸力N、せん断力Q等の荷重に起因する鋼管に対する応力集中の発生を回避して、素管領域B2における局部座屈の発生を防止することが可能となる。 Accordingly, the cross-sectional rigidity and member strength from the stiffening region B1 to the raw pipe region B2 are gradually reduced at the boundary between the stiffening region B1 and the raw pipe region B2, and the cross-sectional rigidity and member strength of the steel pipe (steel pipe pile 10) are gradually reduced. It is possible to prevent a sudden decrease in the. Moreover, according to the said embodiment, generation | occurrence | production of the stress concentration with respect to the steel pipe resulting from loads, such as bending force M, axial force N, and shearing force Q, in the boundary of the stiffening area | region B1 of a steel pipe, and the raw pipe area | region B2. Thus, it is possible to prevent the occurrence of local buckling in the raw tube region B2.
また、上記実施形態によれば、鋼管の補剛領域B1と素管領域B2との境界において、鋼管の局部座屈抵抗を向上させることができるため、鋼管と接合対象部材との接合箇所等において、建築構造物等の支持を十分なものとすることが可能となる。 Moreover, according to the said embodiment, since the local buckling resistance of a steel pipe can be improved in the boundary of the stiffening area | region B1 and the raw pipe area | region B2 of a steel pipe, in the joining location etc. of a steel pipe and a member to be joined, etc. It is possible to provide sufficient support for building structures and the like.
また、上記実施形態では、鋼管の突起(12)を鋼管の半径方向Xの内側から視たとき、鋼管の周方向Wと突起との間の角度が、30°以上90°未満に設定されている。 Moreover, in the said embodiment, when the protrusion (12) of a steel pipe is seen from the inner side of the radial direction X of a steel pipe, the angle between the circumferential direction W of a steel pipe and a protrusion is set to 30 to 90 degrees. Yes.
これにより、上記実施形態では、突起が存在しない鋼管の薄い部位が鋼管の管周方向の断面で連続しない。その結果、鋼管の局部座屈抵抗を向上させることができるため、素管領域B2における局部座屈の発生を防止することが可能となる。 Thereby, in the said embodiment, the thin site | part of the steel pipe in which a protrusion does not exist does not continue in the cross section of the pipe circumference direction of a steel pipe. As a result, since local buckling resistance of the steel pipe can be improved, it is possible to prevent the occurrence of local buckling in the raw pipe region B2.
また、上記実施形態によれば、突起が、鋼管の管軸方向Yに沿って螺旋状に設けられているので、鋼管とコンクリート(30)との付着強度を向上させることができる。また、鋼管とコンクリートとの付着強度を向上させるために補剛領域B1に設けられた突起を、鋼管の管軸方向Yに沿ってさらに延ばして設けることができ、局部座屈抵抗を向上させた鋼管を効率的に製造することが可能となる。さらに、上記実施形態によれば、例えば、突起が設けられた鋼帯を螺旋状に造管した場合において、鋼管の製造効率を著しく向上させることが可能となる。 Moreover, according to the said embodiment, since the processus | protrusion is provided spirally along the pipe-axis direction Y of a steel pipe, the adhesive strength of a steel pipe and concrete (30) can be improved. Moreover, in order to improve the adhesion strength between the steel pipe and the concrete, the protrusion provided in the stiffening region B1 can be further extended along the pipe axis direction Y of the steel pipe, thereby improving the local buckling resistance. It becomes possible to manufacture a steel pipe efficiently. Furthermore, according to the above-described embodiment, for example, when a steel strip provided with protrusions is formed in a spiral shape, the manufacturing efficiency of the steel pipe can be significantly improved.
従来では、鋼管とコンクリートとの付着強度を確保することのみを目的とした場合に、突起が設けられた鋼帯を螺旋状に造管すること等によって、鋼管の周方向Wに対して10°〜20°程度傾斜した突起を鋼管に設けていた。 Conventionally, when the purpose is only to ensure the adhesion strength between the steel pipe and the concrete, the steel strip provided with the protrusions is formed into a spiral shape, etc., so that it is 10 ° with respect to the circumferential direction W of the steel pipe. The steel pipe was provided with a protrusion inclined by about -20 °.
これに対して、上記実施形態によれば、鋼管とコンクリートとの付着強度を確保するために突起を設ける鋼管の製造工程を直接的に利用して、鋼管の局部座屈抵抗を向上させるために、鋼管の周方向Wに対して30°以上の角度で突起を傾斜させて、突起を鋼管に効率的に設けることが可能となる。 On the other hand, according to the above embodiment, in order to improve the local buckling resistance of the steel pipe by directly using the manufacturing process of the steel pipe provided with the protrusion in order to ensure the adhesion strength between the steel pipe and the concrete. The protrusion can be efficiently provided on the steel pipe by inclining the protrusion at an angle of 30 ° or more with respect to the circumferential direction W of the steel pipe.
特に、上記実施形態によれば、突起傾斜角θを30°以上90°未満(最も好ましくは、30°≦θ≦60°)に設定することにより、鋼管に、管壁が蛇腹状に潰れるような局部座屈が発生することを確実に防止することが可能となる。また、鋼管の内周面(11)にコンクリートを確実に付着させて、鋼管とコンクリートとの付着強度を十分に確保することが可能となる。 In particular, according to the above-described embodiment, by setting the protrusion inclination angle θ to 30 ° or more and less than 90 ° (most preferably 30 ° ≦ θ ≦ 60 °), the tube wall is collapsed into a bellows shape on the steel pipe. It is possible to surely prevent the occurrence of local buckling. In addition, it is possible to reliably adhere the concrete to the inner peripheral surface (11) of the steel pipe and to sufficiently secure the adhesion strength between the steel pipe and the concrete.
また、上記実施形態では、鋼管を管軸方向Yに平行な断面で視たとき、突起の凸断面が、管軸方向Yに沿って鋼管の局部座屈半波長λ以下の間隔で並んでいる。つまり、突起の突起間隔Sが鋼管の局部座屈半波長λ以下に設定されている。 Further, in the above embodiment, when the steel pipe is viewed in a cross section parallel to the pipe axis direction Y, the convex cross section of the protrusions is arranged along the pipe axis direction Y at intervals equal to or less than the local buckling half wavelength λ of the steel pipe. . That is, the protrusion interval S between the protrusions is set to be equal to or less than the local buckling half wavelength λ of the steel pipe.
これにより、鋼管の管軸方向Yに沿って互いに隣り合う突起の間で、鋼管に作用する荷重に起因して素管領域B2に局部座屈が発生することを防止することが可能となる。 This makes it possible to prevent local buckling from occurring in the raw pipe region B2 due to the load acting on the steel pipe between the protrusions adjacent to each other along the pipe axis direction Y of the steel pipe.
また、突起の突起間隔Sが鋼管の局部座屈半波長λ以下に設定されることにより、鋼管の局部座屈抵抗がより強化され、その結果、鋼管の部材耐力を著しく向上させることが可能となる。 Further, by setting the projection spacing S of the projections to be equal to or less than the local buckling half wavelength λ of the steel pipe, the local buckling resistance of the steel pipe is further strengthened, and as a result, the member strength of the steel pipe can be remarkably improved. Become.
以上、本発明の一実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されず、上記実施形態によって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。 As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to embodiment mentioned above, The technical scope of this invention must not be limitedly interpreted by the said embodiment.
例えば、柱材または鞘管として用いられた鋼管に突起が設けられ、梁材が接合される鞘管に柱材(接合対象部材)が挿通されて、鞘管と柱材との間にコンクリートが充填された柱と梁との接合構造に対しても本発明を適用することができる。 For example, a projection is provided on a steel pipe used as a pillar material or a sheath pipe, and a pillar material (member to be joined) is inserted into a sheath pipe to which a beam material is joined, and concrete is interposed between the sheath pipe and the pillar material. The present invention can also be applied to a joint structure between a filled column and a beam.
1:合成構造
12:突起
10:鋼管杭(鋼管)
20:H形鋼(接合対象部材)
11:鋼管杭(鋼管)の内周面
30:コンクリート
13:座屈部位
L:延設長
A1:突起領域
A2:平坦領域
B1:補剛領域
B2:素管領域
W:周方向
X:半径方向
Y:管軸方向
1: Composite structure 12: Projection 10: Steel pipe pile (steel pipe)
20: H-section steel (member to be joined)
11: Inner
Claims (2)
一端部が前記鋼管に挿入された接合対象部材と;
前記鋼管の内周面と前記接合対象部材の前記一端部との間に充填されたコンクリートと;
を備え、
前記鋼管は、前記鋼管の前記内周面から前記鋼管の半径方向内側へ向かって突出し且つ前記鋼管の管軸方向に沿って螺旋状に延設された突起を有し、
前記鋼管の前記内周面において前記コンクリートと接触する領域を補剛領域と定義し且つ前記鋼管の前記内周面において前記コンクリートと接触しない領域を素管領域と定義したとき、前記突起は、前記補剛領域と前記素管領域との境界を跨ぐように前記管軸方向に沿って前記螺旋状に延設されており、
前記素管領域における前記突起の前記管軸方向の延設長は、前記鋼管の局部座屈半波長以上であり、
前記突起を前記鋼管の前記半径方向の内側から視たとき、前記鋼管の周方向と前記突起との間の角度が、30°以上90°未満であり、
前記鋼管の前記局部座屈半波長をλ(mm)、前記鋼管の外径をD(mm)、且つ前記鋼管の板厚をt(mm)と定義したとき、前記局部座屈半波長λは下記式(1)で表され、前記鋼管の前記外径Dと前記板厚tとの比率D/tは50以上100以下であることを特徴とする合成構造。
A joining target member having one end inserted into the steel pipe;
Concrete filled between the inner peripheral surface of the steel pipe and the one end of the member to be joined;
With
The steel pipe has a protrusion that protrudes inward in the radial direction of the steel pipe from the inner peripheral surface of the steel pipe and spirally extends along the pipe axis direction of the steel pipe,
When the region in contact with the concrete on the inner peripheral surface of the steel pipe is defined as a stiffening region and the region not in contact with the concrete on the inner peripheral surface of the steel pipe is defined as a raw tube region, the protrusion is It extends in the spiral shape along the tube axis direction so as to straddle the boundary between the stiffening region and the raw tube region,
The extension length of the projection in the pipe axis direction in the raw pipe region is equal to or greater than the local buckling half wavelength of the steel pipe,
When the projection is viewed from the inside in the radial direction of the steel pipe, an angle between the circumferential direction of the steel pipe and the projection is 30 ° or more and less than 90 °,
When the local buckling half wavelength of the steel pipe is defined as λ (mm), the outer diameter of the steel pipe is defined as D (mm), and the plate thickness of the steel pipe is defined as t (mm), the local buckling half wavelength λ is A composite structure represented by the following formula (1), wherein a ratio D / t between the outer diameter D and the plate thickness t of the steel pipe is 50 or more and 100 or less.
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